[发明专利]一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁行业成分偏析分析技术领域，具体地，涉及一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法。

背景技术

成分偏析是合金液凝固时固有的特性。当溶质元素在固相中的溶解度小于其在液相中的溶解度时，固液界面将向液相中排除溶质；而当溶质元素在固相中的溶解度大于在液相中的溶解度时，溶质从液相向固相扩散，将导致固液界面前沿出现溶质贫乏区。这种由于合金凝固过程中溶质的再分配导致合金凝固后的成分不均匀，即为成分偏析。通常，溶质元素在液相中的溶解度比在固相中高，因此溶质有脱离凝固相而被推到前沿液体中的倾向，末凝固部分富含溶质的液体被生长的枝晶臂分割，形成成分偏析区域。成分偏析是铸件的主要缺陷之一，降低合金固溶强化效果，同时，枝晶间形成的低熔点析出相，在铸件的焊接过程中容易成为裂纹源，降低铸件的力学性能与焊接性能。

根据经典凝固理论可知，在一般的合金凝固条件下，微观尺度的溶质再分配行为以及产生的微观偏析不仅取决于合金的物性参数（如固相扩散系数D_S、液相扩散系数D_L、溶质分配系数k）及外部工艺条件如凝固速率V（或者局部凝固时间t_f）、温度梯度G，而且还与枝晶的生长方式、枝晶形貌等因素密切相关。

最简单的解析模型是局部平衡凝固条件下的Lever解析模型和Scheil解析模型,其它都是修正型解析模型。基于反向扩散的考虑，杠杆模型和Scheil模型是两种极限情况。

杠杆模型是一种平衡凝固模型，假设溶质在固液两相均充分扩散，即

C_L＝C₀[1-(1-k)f_s]^-1①

式①中，C_L为液相溶质浓度，C₀为初始溶质浓度，f_s为固相分数，k为溶质分配系数。

Scheil模型也称为非平衡杠杆模型，其中假设溶质在液相中充分扩散且固相无扩散，模型中没有考虑形核过冷、枝晶臂粗化、宏观物质传输及气孔的形成，即

C_L＝C₀(1-f_s)^(k-1)②

显然，当固相分数f_S=1时C_L趋向于无穷大，因此Scheil模型不能对最终的溶质浓度进行准确计算。

H.D.Brody&M.C,Flemings考虑到凝固过程中溶质元素的反扩散，即有

C_L＝C₀[1-(1-2αk)f_s]^{(k-1)/(1-2αk)}③

式③中，α为无量纲的溶质扩散因子，或称无量纲的扩散时间（Fourier数），它表示了固相中的扩散边界层厚度δ_s与系统尺寸L的比例关系，可表示为：

α=DstfL2]]>④

当α=0即固相中无扩散，式③简化为Scheil模型；

当α=0.5时，式③简化为杠杆模型。

W.Kurz等人对α值进行了修正，提出以α′代替α，即